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Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH

Andreas Schaffrath ([email protected]) Andreas Wielenberg ([email protected])

Anne Krüssenberg ([email protected])Sebastian Buchholz ([email protected])

Tagung für die junge Generation in der KerntechnikMünchen, 6.-8. November 2018

Erweiterung der GRS Rechenkette fürdie Simulation kleiner modularer, leichtwassergekühlter Reaktoren

Gliederung

Einleitung • Andreas Schaffrath• Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH• Bereich Sicherheitsforschung• Reaktorsicherheitsforschung in Deutschland

GRS Studie zur Sicherheit und internationalen Entwicklungen von Small Mo-dular Reactors (SMR)• Erste Einschätzung, ob SMRs ein Thema für GRS sein können (Sicherheit,

Wirtschaftlichkeit, Genehmigung, Entscheider, ….)• gestaffeltes Ebenenkonzept• Trends der einzelnen Sicherheitsebenen

notwendige Erweiterungen der GRS Rechenkette

Zusammenfassung und Ausblick

2

submarines

TES

Tagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 2018

Einleitung


GRS Studie zur Sicherheit und internationalen Entwicklungen von Small Mo-dular Reactors (SMR)• Erste Einschätzung, ob SMRs ein Thema für GRS sein können (Sicherheit,




3

submarines

TES


Name: Dr.-Ing. Andreas Schaffrath GRS Zugehörigkeit: seit Februar 2013 aktuelle Position: Leiter des Bereichs Sicherheits-

forschung (70 Mitarbeiter) Kompetenzen: - fortschrittliche/innovative Reaktoren u.

Reaktorkonzepten, passive Systeme- Auslegung, Errichtung und Betrieb

von TH-Versuchsstände- Modellentwicklung, Validierung und

Anwendung von Systemcodes

Einleitung (2) – Andreas Schaffrath

4

submarines

TES

NOKO

Notkondensator


- 10-jährige Erfahrung in kerntechnischen Genehmigungs- und Aufsichtsverfahren - Leiter der Stabsstelle R&D (beides beim TÜV NORD)

Publikationen: 230 Publikationen in Fachzeitschriften / Konferenzen Gremienarbeit: - Programme Review Group (PRG) der CSNI of OECD/NEA

- Research Group des European Technical Safety OrganisationsNetwork (ETSON)

- Board der Frederic Joliot / Otto Hahn Summer School (FJOH) - Projektkomitee Transients und Unfallabläufe des BMWi- Sprecher der Fachgruppe Internationale Entwicklung innovativer

Reaktorsysteme der KTG- Editorial Board der KERNTECHNIK sowie Editorial Advisory

Board International Journal for Nuclear Power (atw)- (technischer) Programmausschuss diverser Tagungen u.a. des

AMNT, NURETH, NUTHOS, …)

Einleitung (3) – Andreas Schaffrath

5

KWB-A KKKKKBKBR


GRS = Gesellschaft für Anlagen- und ReaktorSicherheitgGmbH

unabhängig und gemeinützig (kleines g in gGmbH) und aus-schließlich projektfinanziert

Eigentümer:• Bundesrepublick Deutschland (46,15%)• Technische Überwachungsvereine (TÜV) (in ∑ 46,15%)• Freistaat Bayern und Nordrhein-Westfalen (je 3,85%)

AR-Vorsitz: ParlamentarischeStaatssekretärin Rita Schwar-zelühr-Sutter

über 450 Mitarbeiter an 4 Standorten, hiervon 350 wis-senschaflich-technische Ex-perten (Ingenieure, Physiker, Chemiker, Informatiker, Geo-logen, …..

1 Tochter: (Sitz Paris)

Einleitung (4) – Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit

6Tagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 2018

Einleitung (5) – Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit

7

submarines

TES die wichtigste Technical Support Organization (TSO) für alle Fragen der nuklearen Sicherheit für die Bundesregierung:• BMU (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit) • AA (Auswärtige Amt)

wichtige Forschungseinrichtung im Bereich der nuklearen Sicherheit, ge-fördert durch:• BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie),• BMU und • BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung)

traditionell involviert in zahlreiche internationale Aktivitäten (z.B. • der IAEA, • der OECD / NEA und • der EU-Kommission (DG Energy, DG RTD, DG DevCo))


Einleitung (6) – Bereich Sicherheitsforschung

8

submarines

TES 3 Abteilungen: Kernbrennstoff, Kühlkreislauf, Containment generische (Reaktor-)Sicherheitsforschung unsere Produkte sind

• Publikationen in Fachzeitschriften und auf Tagungen• wissenschaftlichen Programme für die Analyse von Zuständen des (anomalen)

Betriebes, Stör- und Unfällen in KKW und sonstigen kerntechnischen Anlagen die Programme repräsentieren den aktuellen Stand von Wissenschaft und

Technik (W&T) und bilden eine nukleare Rechenkette (siehe nächste Folie)

traditionell entwickelt GRS in vielen Bereichen eigene Programme• dies führt zu einem besseren Verständnis der relevanten Phänomene• unabhängig von den Interessen anderer (u.a. kommerzieller Entwickler)

Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen im In- und Ausland• zukunftsweisende Strategie, um mit den begrenzten Ressourcen Ziele zu erreichen• den Entwicklungsaufwand durch Nutzung der Ergebnisse und Modelle von

Forschungsallianzen sowie Netzwerken zu minimieren Zusammenarbeit mit Behörden, Gutachtern und technischen Sachverständigen (z.B.

in Deutschland und vor allem Osteuropa) durch Codetransfers und –trainingsTagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 2018

Einleitung (7) – Bereich Sicherheitsforschung

9

TES


Reaktorsicherheitsforschung in Deutschland (1) – Motivation

10

TESNach der Katastrophe von Fukushima entschied die Bundesregierung, aus der Stromerzeugung mittels Kernenergie bis zum Jahr 2022 auszu-steigen (13-te Novelle des AtG vom 31. Juli 2011) 8 KKW wurden endgültig abgeschaltet 9 KKW (7 DWR, 2 SWR) wurden weiter-

betrieben es wurde festgelegt, wann der Betrieb

dieser 9 KKW zu beenden ist:2015: Grafenrheinfeld (DWR)2017: Gundremmingen B (SWR)2019: Philipsburg 2 (DWR)2021: Brokdorf, Grohnde (beide DWR)

Gundremmingen C (SWR)2022: Emsland, Isar 2, Neckarwestheim 2

(alle drei DWR) Kein Ausstieg aus der Reaktorsicherheits-

(RS-)Forschung!

KKW endgültig abgeschaltetKKW in Betrieb

Tagung für die junge Generation in der Kerntechnk, 6.-8. November 2018

1344


11

TES


7. Energieforschungsprogramm der Bundes-regierung (September 2018) Kap. 4.5 Nukleare Sicherheitsforschung

Deutschland:wissenschaftliche Begleitung: • des restlichen Leistungsbetriebes (bis

2022)• des Nach- und Restbetriebes• der (längerfristigen) Zwischenlagerung• der Entsorgung der bestrahlten Brennele-

mente und radioaktiven AbfälleInternational (grenzüberschreitender Charakter der Betriebsrisiken): • Internationale Verpflichtungen (IAEA,

OECD/NEA, …..)• Verfolgung der Entwicklungen im benach-

barten Ausland

2

2

22

31

13

8

1

2

12

1

b) international:

12

WWER-AES2006

derzeit kein Ausstiegderzeit AusstiegAusstieg beendetAusstieg vor Inbetriebnahmekein nukleares Interesse

NuScale

11 2

31

2

1

1 213

8

1

12

SMART


2

Planung des 1. KKWKonstruktion des 1. KWWPlanung neuer KKWBau neuer KKW

Europa 2016


13

WWER-AES2006

SMART

GRS sichtet kontinuierlich diese Neubauten und Reaktoren / Reaktorkonzepte

die meisten fortschrittlichen bzw. innovativen Designs enthalten neue Sicher-merkmale (wie z.B. passive Sicherheitssysteme)• Gen III: das Sicherheitssystem beinhaltet aktive sowie passive Systeme• Gen III+: Störfälle können allein mit passiven Sicherheitssystemen be-

herrscht werden• SMR: das Sicherheitskonzept beinhaltet darüber hinaus oftmals den

konsequenten Ausschluss verschiedener Störfälle: - borfreie Kerne keine Deborierungsstörfälle- Naturkonvektion Ausfall einer Pumpe ist kein Störfall- diverse Konzepte mit einer zeitlich unbefristeten Nachwärme-

abfuhr an eine ultimative Wärmesenke auch ohne Verfügbarkeit von Strom

Ziel der GRS: Erweiterung der GRS Rechenkette, so dass diese neuen Anlagen berechnet und

sicherheitstechnisch bewertet werden können!


Tagung für die junge Generation in der Kerntechnk, 6.-8. November 2018

GRS Studie zu SMRs


GRS Studie zur Sicherheit und internationale Entwicklungen von Small Mo-dular Reactors (SMR)• Erste Einschätzung, ob SMRs ein Thema für GRS sein können (Sicherheit,




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submarines

TES


Erste Einschätzung, ob SMRs für die GRS ein Thema sein können

15

WWER-AES2006

SMART

(1) Was sind SMRs – wie viele gibt es weltweit?

(2) Können SMRs prinzipiell am Markt erfolgreich sein? Einschätzung zur Sicherheit, Konkurrenzfähigkeit, Genehmigung

(3) Was ist die Position der Entscheider? Beispiele: Deutschland, Europäische Kommission, UK, Russland

(4) Mit welchen SMRs sollte sich GRS beschäftigen? Identifizierung der SMRs, die in unserer Nachbarschaft gebaut werden sollen Identifizierung genereller Trends

(5) Welche Modellierungsdefizite gibt es derzeit? Welche Entwicklungsprioritäten sollen gesetzt werden? Identifizierung von Sicherheitssystemen bzw. –merkmalen, die mit der GRS

Rechenkette derzeit nicht modelliert werden können


zwei Definitionen für SMR:• IAEA: Small (Pel < 300 MW) and Medium (Pel < 700 MW) Sized Reactors• USA: Small Modular Reactors (Verschaltung von Modulen zu einer Anlage) • GRS Studie: SMR Oberbegriff von beiden Defini-

tionen

SMRs sind kein neues Thema• seit 1950 werden SMRs geplant und gebaut • viele von ihnen sind heute in Betrieb • Army Nuclear Power Program (Errichtung von 8

SMR für die Energie- und Wärmeproduktion in abgelegenen Gebieten (wie der Arktik oder der Antartik)

• militärische oder zivile Schiffsantriebe (z.B. Eis-brecher, U-Boote, Handelsschiffe)

• Studien von mobilen SMRs (z.B. Transportable Energy Station (TES), PAMIR 630D)

• International Atomic Energy Agency (IAEA (2012): 131 SMR in 26 Ländern

SMR Definitionen, Historie und Anzahl

16

TES

PM3-A, Nukey Poo

NS Russia

PAMIR 630-DTagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 2018

Erste Einschätzung – Sicherheit (2)

17

WWER-AES2006

SMART

(2) Können SMRs prinzipiell am Markt erfolgreich sein? (Sicherheit, Konkurrenzfähigkeit, Lizensierung)? (ausgewählte) Sicherheitsmerkmale: SMR können –

sofern belegt – zu den sichersten Anlagen zählen(a) Kernkühlung

Kern

CAREM

• Reaktorkern mit einer geringeren Leistungsdichte (bis zu -75 % gegenüber den derzeit betriebenen LWR)

• tiefe Anordnung des Kerns im RDB• hohe Wasserüberdeckung, bei einer Druckentlastung

infolge des größtmöglichen Lecks erfolgt keine Freile-gung des Kerns

• bei Anlagen bis 200 MWel lässt sich die Nachwärme si-cher abführen Ausschluss von Kernschmelzen

• verbesserte Nachwärmeabfuhr im Vergleich zu (A)LWR- großes Oberflächen / Volumenverhältnis - kleine Abstände vom Kern zur RDB Wand - im Vergleich zu LWR dünnere Wänden, bei gleichen Innen-

drücken nimmt die Wandstärke mit stärkerer Krümmung ab dünnere Wände = geringerer thermischer WiderstandTagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 2018

18

SMART

• horizontal bzw. vertikal ange-ordnete Containments in Was-serpools

• horizontaler Zylinder auf dem Meeresboden

• schwimmende Containments• Wärmerohre (heat pipes)


Erste Einschätzung – Sicherheit (3)

(b) zeitlich unbefristete passive Containmentkühlung an eine ultima-tive Wärmesenke (Wasser/Luft)

Erste Einschätzung – Konkurrenzfähigkeit (4)

19

WWER-AES2006

SMART

SMR können (unter bestimmten Umständen) konkurrenzfähig sein (a) im Vergleich zu (A)LWR:

• Nachteil bzgl. der Economy of Scale aber • zahlreiche Vorteile:

- Anwendungsspektrum (Elektrizitäts-/Wärmeerzeugung, Wasserentsalz.)- geringe Kapitalkosten für die Errichtung- kein Bauverzug (nach Anlieferung zum Standort können die Module

direkt ans Netz angeschlossen werden)- modulweise Erweiterung von Anlagen ( frühzeitige Einnahmen)- lange Betriebszyklen und geringe Wartung (Austausch der Module) - einfache Entsorgung (Module sollen wieder zur Fabrik gebracht und

hier zerlegt werden) (b) Verschiedene Studie belegen ein großes Potential

• mittelfristig konkurrenzfähig zu Gaskraftwerken (< 8 Cent pro kWh)• aber die Wirschaftlichkeit ist nicht belegt und basiert auf div. Annahmen:

- alle Anfangsprobelme sind gelöst- Serienproduktion in Fabriken- effiziente internationale Genehmigungsverfahren sind etabliert


Erste Einschätzung – Genehmigung (5):

20

WWER-AES2006 Genehmigung(sverfahren): große Anstrengungen sind erforderlich

(a) SMR sind nur dann konkurrenzfähig, wenn hiervon eine große Anzahl(> 100) einheitlicher Module produziert werden das gleiche Design für verschiedene Länder mit verschiedenen nationalen Regelwerken

(b) Hersteller drängen auf eine Vereinfachung von Genehmigungsverfahren• Typzulassung das Hinzufügen eines neuen (gleichen) Moduls zu

einer Anlage sollte ohne neues Genehmigungsverfahren möglich sein• Genehmigungen / Zertifikate sollten international anerkannt werden• Harmonisierung von Definitionen (z.B. für passive Sicherheitssysteme),

Regeln und Akzeptanzkriterien (experimentelle/analytische Nachweise)(c) auf der LWR Technologie basierende SMRs besitzen Vorteile

• große Erfahrungen aller Beteiligten (speziell der Behörden) mit der LWR Technologie in den letzten Jahrzehnten, Brennstoffkreislauf

• derzeit im Bau befindliche / genehmigte SMR sind im Vorteil (ein Geneh-migungsverfahren dauert Jahre)

• erfolgreiche Lizensierung:- CAREM (ARN, 2010) und - SMART (KINS, 2012)


(3) Was ist die Position der Entscheider?a) Deutschland: die Regierung hat beschlossen, die Energieerzeugung aus

Kernenergie zu beenden (13-te Novelle des Atomgesetzes) in Deutschland wird zukünftig weder ein SMR gebaut noch betrieben

b) Europa: die Europäische Kommission (EC) sieht die - Lizensierung eines SMR bis 2025- Betrieb eines SMR ab 2030als ein bedeutsames strategisches Ziel an(Issues Papers No. 10 Advanced and Innova-tive Fission Reactors)

c) UK: intensive Auseinandersetzung mit SMRs - NNL veröffentlicht eine Machbarkeits- und

Potentialstudie (2014)- Department of Energy and Climate Change

(DECC) schreibt eine Interessensbekundung an einem SMR-Wettbewerb aus, um den bes-ten Nutzen für UK zu identifizieren (2016)

Erste Einschätzung – Position der Entscheider (6)

21

WWER-AES2006

http://www.nnl.co.uk/media/1627/ smr‐feasibility‐study‐december‐2014.pdf


d) Russland: 70% des russischen Territoriums und 20% der Bevölkerung können keine zentrale Energieversorgung nutzen hohes Potential für SMR Anwendungen, Grundlage für die zivile SMR Entwicklung sind u.a. - SMRs der russischen Marine (6000 Reaktorjahren)- Schiffsantriebe von Eisbrechern und Handelsschiffen (370 Reaktor-

jahren)

22

Arctica

50 Years of Victory

Bilibino City KKWAcademic Lomonosov

Shelf

SMR im Eismeer

Erste Einschätzung – Position der Entscheider (7)


Erste Einschätz. – Mit welchen SMR sollte sich GRS beschäftigen (8)

23

WWER-AES2006

SMART

(4) Auswahl eines Referenz SMRs• GRS betrachtet ausschließlich Sicherheitsaspekte • alle SMR, die die jeweiligen nationalen kerntechnischen Regeln einhalten,

sind genehmigungsfähig Entscheidung für Bau resultiert aus anderen (z.B. wirtschaftlichen) Kriterien

• in 2014 waren 70 SMRs (bzw. SMR Konzepte) im Bau oder Entwicklung• erster Ansatz: Fokussierung auf SMRs

- die in unserer direkten Nachbarschaft gebaut werden sollen - an denen unsere Auftraggeber ein spezielles Interesse haben bzw.- von denen weltweit eine große Stückzahl gebaut werden soll

• schwierig, die SMRs zu identifizieren, die letztendlich realisiert werden generischer Ansatz (GRS Studie)


24

submarines

TES(4) Auswahl eines Referenz SMRs (Fort-setzung):• zweiter Ansatz: Review aller SMR

(Konzepte) und Bildung von Gruppen- aktuellen Entwicklungsstand, SMRs

(a) in Betrieb (6)(b) im Bau (5)(c) in Entwicklung mit konkreten

Plänen zum Bau ( 10), (d) in Entwicklung ohne konkrete

Pläne zum Bau ( 60)) - Kühlmittel (32 LWR, 2 HWR, 22 LMR,

9 GCR, 4 MSR)- Ort der Errichtung (an Land, im Meer

schwimmend, auf dem Meeresboden)• Identifizierung von Trends• Überprüfung, ob diese Trends mit unserer

Rechenkette modelliert werden können

Erste Einschätz. – Mit welchen SMR sollte sich GRS beschäftigen (9)

Tagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 20e

in diesem Vortrag erfolgt eine Fokussierung auf leichtwassergekühlte SMRs (in der GRS Studie wurden alle SMR in der gleichen Tiefe analysiert)

Abarbeitung: Gestaffeltes Ebenenkonzept (Defence-in-depth) - Grafik von ENSI

Identifizierung von Trends (1) – gestaffeltes Ebenenkonzept

Tagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 2018 25

Ereignisse

SE 1: Normalbetrieb: Betriebssysteme sollen anomale Betriebszustände (SE2) vermeiden (u.a. detaillierte, geprüfte und kontrollierte Vorgaben für Auslegung, Konstruktion und Herstellung, einschließlich angemes-sener technischer Sicherheitszuschläge)

SE 2: anomaler Betrieb: Begrenzungssysteme sollen die Störungen erken-nen, deren Auswirkungen begrenzen (z.B. durch eine automatische Re-duktion der Leistung) und dafür sorgen, dass eine Störung nicht zu ei-nem Störfall wird

Beispiele für Auslegungsmerkmale und Sicherheitseigenschaften: • geringe Leistungsdichte (- 25 – 75% im Vergleich zu DWR Gen. II) träges Anlagenverhalten

• elektrische Leistungen kleiner 200 MW Nachwärme kann durch Wärmelei-tung abgeführt werden, Kernschmelze ausgeschlossen

• bei einer Kühlung im Naturumlauf Stromausfall führt zu keiner Verschlech-terung der Kühlung

• bei borfreien Kernen Ausschluss von Deborierungsstörfällen• interne Steuerstabantriebe Ausschluss eines Steuerstabauswurfs

26

Identifizierung von Trends (2) – SE1 und SE2


SMR besitzen eine hohe Kompaktheit, die die Modularität fördert bei integralen Designs sind alle Komponenten des Primär-

kreislaufes im RDB untergebracht • Druckhalter, Kühlmittelpumpen (sofern vorhanden)• integrierte Dampferzeuger (CAREM), von oben auf

den RDB aufgesetzter Dampferzeuger (SCOR)oder helikale Dampferzeuger (NuScale)

27

Identifizierung von Trends (3) – Kompaktheit

Dampferzeuger

Hauptkühl-mittelpumpe

RDB

Druck‐halter

Abblase‐tank

CAREM SCOR

Dampferzeuger

grün: integrierte Dampferzeuger

DWR


Achtung: keine maßstäbliche Darstellung!

28

Identifizierung von Trends (4) – Kompaktheit

Thema Kompaktheit und Modularität in der Werbung:


29

Identifizierung von Trends (5) – integrierte Dampferzeuger

1 helikalerDampf-

erzeugerRBB

Steig-raum

Kühlmittel

160 MWth

Full length Helical Coil Steam Generator Test

Dampf

DampferzeugerNuScale

12 helikale DE

CAREM

100 MWth


integrierte Dampferzeuger (DE)• helikale Bauformen (zur Reali-

sierung großer Oberflächen)• Anordnung im Downcomer: meh-

rere parallele DE(CAREM), ein DE(NuScale)

• hohe Effizienz- dünne Wände- komplexe,

hochturbu-lente Strö-mungsfelder

Modellerwei-terungen für Systemcodes

Vermeidung strömungsin-duzierterSchwing. (FIV)

Speise-wasser

Eliminierung von (großen) LecksDWR doppelendiger Bruch einer Hauptkühlmittelleitung DN800 1 m², SCORLeitung des Druckhaltesystems DN50 0,004 m² 250 mal kleiner, CAREM Leitung DN30 700 mal kleiner• Minimierung der Anzahl der an den RDB angeschlossenen

Leitungen • keine aktivitätsführenden Kühlmittelleitungen außerhalb

des RDB• alle Anschlussstut-

zen weit oberhalb der Kernoberkante

• einfachere Beherr-schung von KMV

• Minimierung der Be-lastungen der Kern-einbauten

• geringere Contain-mentlasten

30

Identifizierung von Trends (6) – Vermeidung großer LOCA

4 HKL: DN800

DN30

CAREM

Dampferzeuger

Hauptkühl-mittelpumpe

RDB

Druck‐halter

DWR


12 Frisch-dampf-

leitungen

SE 3: Störfall – der Betrieb des Reaktors kann aus sicherheitstechnischen Gründen nicht fortgeführt werden. Die Sicherheitssysteme sollen dafür sorgen, dass die Reaktoren sicher abgeschaltet und gekühlt werden und keine nennenswerten Auswirkungen in der Umgebung auftreten.

Betrachtung von Einrichtungen zur Gewährleistung der Schutzziele

- Kontrolle der Reaktivität (Abschaltsicherheit)• (Schnell-)Abschaltung

- Kühlung der Brennelemente• Nachwärmeabfuhr • Notkühleinspeisung

- Einschluss radioaktiver Stoffe• Druckbegrenzung des Containments

31

Indentifizierung von Trends (7) – SE3


Einrichtungen zur Gewährleistung der Schutzziels Kontrolle der Reaktivität• (Schnell-)Abschaltung

- Einfallen von Steuerstäben (analog wie bei DWR der Gen. II)- Einspeisung von flüssigem Absorber (Borsäure)

• aktive Einspeisung gegen den vollen Systemdruck (analog dem Zusatzboriersystem bei DWR der Gen. II)

32

Identifizierung von Trends (8) – SCRAM

Abschaltung mittels Reaktor

Steuerstäben alle LWR außer FBNR

Einspeisung von flüssigemAbsorber

Core Make‐Up‐Tanks CAREM, IRIS, SMR‐160, Westinghouse SMR

Druckspeicher VK‐300, VBER‐300, IMR

aktive Einspeisung KLT‐40S, UNITHERM, VBER‐300, CNP‐300, WWER‐300

spezielle Maßnahmen Herausfallen von Brenn‐elementen (BE) aus dem Kern

FBNR


Einrichtungen zur Gewährleistung der Schutzziels Kontrolle der Reaktivität(Fortsetzung 1)

- Einspeisung von flüssigem Absorber (Fortsetzung) • aktiv/passiv gegen den vollen Systemdruck (CMT) – (analog AP1000, CAP) • passiv über Druckspeicher bei Druckabfall im RDB z.B. infolge von Lecks

(analog wie Druckspeicher von DWR der Gen. II)

33

Core Make-Up-

Tank

Druck-speicher

aktives / passives Öffnen des Ventils



Einrichtungen zur Gewährleistung des Schutzziels Kontrolle der Reaktivität(Fortsetzung 2)

- Herausfallen von Brennelementen (BE) aus dem Kern (brasilianische Lösung)FBNR (Fluidized Bed Nuclear Power Reactor)• SMR basierend auf LWR Techno-

logy mit kugelförmigen BE• BE vor dem Anfahren des Reaktors

in BE-Kammer unterhalb des Kerns• Anschalten der Pumpen, BE-Kam-

mer wird durchströmt• BE werden in Kern gedrückt• oben am Kern Niederhalter • Abschaltung des Reaktors durch

Abschaltung der Pumpen - Kugel fallen zurück in die BE-Kammer

• unterkritische Anordnung mit einer passiven Kühlung

34


Tagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 2018Pumpe

Einrichtungen zur Gewährleistung der Schutzziels Kühlung der Brennele-mente• kurzzeitige Notkühleinspeisung

- aktive Hoch- und Niederdruck-Einspeisesysteme (analog wie bei DWR der Gen. II)

- Druckspeicher / Make-Up-Tanks (wurden bereits im Kapitel Kontrolle der Reaktivität) beschrieben

Alle zuvor beschriebenen Maßnahmen dienen der kurzzeitigen Kühlmitteler-gänzung!

Sofern danach eine Verdampfung von Kühlmittel möglich ist, sind Maßnahmen für eine langfristige Kühlmittelergänzung erforderlich!

35

Notkühleispeisung Reaktor

aktive Einspeisesysteme KLT‐40S, SCOR‐600, SMART, UNITHERM, VBER‐300, WWER‐300

Druckspeicher ACP‐100, CAREM, CNP‐300, IMR, KLT‐40S, RITM‐200, VEBR‐300, WWER‐300

Make‐Up‐Tank ACP‐100, CAREM, CNP‐300, IRIS, SMR‐160, Westinghouse SMR

Identifizierung von Trends (11) – Kühlung der Brennelemente



Identifizierung von Trends (12) – Kühlung der Brennelemente

Optionen zur langfristigen Notkühl-einspeisung (Teil 2)1 aktive Ansaugung von Wasser, das

sich nach einem KMV im Sumpf sam-melt, mittels Pumpen, Kühlung und Einspeisung in den RDB (analogSumpfbetrieb Gen. II DWR )

2 Rückfördern des Wassers aus derKondensationskammer in den RDB(analog Gen. II SWR)

3 Abblasen der Containmentatmos-phäre in einen externen Behälter außerhalb des Sicherheitsbehälters,Rücklauf des Wassers mittels Gra-vitation über eine Leitung (analog WWER Bubble Condenser)

4 DVI (Direct Vessel Injection): Reaktorgrube ist als schmaler Spalt ausgebildet, in den das im Sicherheitsbehälter bei KMV entstehende Kondensat zurückfließt, Füllstand im Spalt steigt schnell oberhalb des RDB Füllstandes an, nach Öffnen eines Ventils Füllstandausgleich zwischen Spalt und RDB (analog AP 1000)

Einrichtungen zur Gewährleistung der Schutzziels Einschluss radioaktiver Stoffe• Druckbegrenzung des Containments (Teil 1)

- Gebäudekondensator (analog zum GEKO des Gen. III+ SWR (KERENA))- Druck-/Kondensationskammer (analog Gen. II SWR)- Kondensation von Dampf in externen Becken (analog WWER440/213)- Containment Sprühsysteme (analog zu den Sprühsystemen der Gen. II

DWR)37

Druckbegrenzung des Containments Reaktor

Gebäudekondensator ACP‐100, KLT‐40S, VEBR‐300

Kondensation von Dampf in externen Becken MRX

Druck‐ und Kondensationskammer CAREM, Flexblue, IRIS, KLT‐40S, SCOR‐600, VK‐300

Containmentsprühsysteme SNP‐300, SMART

Kondensation an Containmentwand ACP‐100, NuScale, Flexblue, MIT Offshore, SHELF, SMR‐160,

Westinghouse SMR


Identifizierung von Trends (13) – Druckbegrenzung Containment

(c) Druckbegrenzung des Contain-ments (Fortsetzung)

Darstellung der Optionen:

1 Gebäudekondensator (ana-log zum GEKO des Gen. III+ SWR (KERENA))

2 Kondensation von Dampf in externen Wasserpools (ähn-lich wie Dampfabblasen in KOKA)

3 Druck- und Kondensa-tionskammer (analog Gen. II SWR)

4 Containment Sprühsys-tem (analog zu den Sprüh-systemen der Gen. II DWR)



Druckbegrenzung des Containments (Fortsetzung)5 Dampkondensation an Containment-

wänden, die von einer unendlichen Wärmesenke (Luft bzw. Wasser) ge-kühlt werdenSMR-160 (Holtec Int. Company): Was-ser verdampft, Dampf strömt in den SHB und wird an der SHB-Wand kon-densiert, das Kondensat fließt in den Sumpf und gelangt über DVI zurück in den RDB und den Kern zahlreiche SMR besitzen eine zeitlichunbefristete, passive Containment-kühlung (siehe auch Folie 18)

39

in einem Wasserpool angeordnetes Containment

Containment (auf dem Meeresboden)Tagung für die junge Generation in der Kerntechnik, 6.-8. November 2018


Reaktor Turbine

Kühlung der subsea-based Containments mit-tels freier Konvektion im Ringspalt (Einfluss von Seewasser, Muschelbewuchs, etc…)

40

obere Grenze des Gültigkeits-

bereichs der Korrelationen

Betriebspunkt der subsea-based SMR

Nus

selt-

Zahl

Nu

SHELF

Flexblue



SE 4: Unfall – Maßnahmen und Einrichtungen zur Begrenzung der Auswirkung von Unfällen, die über die Auslegung der Anlage hinaus postuliert werden

• H2-Rekombinatoren: Vermeidung der Bildung / Zündung Luft / Gas-Ge-mischen (analog LWR der Gen. II)

• EVA, Erdbeben, Explosionsdruckwel-len, Flugzeugabsturz: Betrieb der SMR- in Kavernen teilweise oder ganz unter-

halb der Erdoberfläche- auf dem Meeresboden Codeerweiterungen zur Containment-

kühlung (s. Folie 40), Sloshing, etc.

• Rückhaltung radioaktiver Spaltprodukte: Anordnung von Teilen des Containments in Wasserpools (Bsp. ACP-100) bzw. Teiledes Containments in Wasservorlagen (mPower)) Verbesserung der Poolscrubbingmodelle

(auf Basis neuer Experimente)

41

mPower (B&W)

ACP-100

Identifizierung von Trends (17) – Beherrschung von Unfällen


Gliederung


GRS Studie zur Sicherheit und internationaler Entwicklungen von Small Mo-dular Reactors (SMR)• Erste Einschätzung, ob SMRs ein Thema für GRS sein können (Sicherheit,




42

submarines

TES


Modellierungslücken und Prioritäten zum Schließen Fokus der GRS Arbeiten liegt auf den SMRs basierend auf der LWR Technologie zusätzlich Aktivi-

täten zu: - HTR, MSR- LMR (MYRRHA)

ASTRID) Schwerpunkt liegt

auf den System-codes• Neutronenkinetik:

QUABOX/CUB-BOX, ggf. Neu-entwicklung

• Thermohydrau-lik: ATHLET

• Containment:COCOSYS

43

Erweiterung der GRS Rechenkette (1)


Modellierungslücken und Prioritäten zum Schließen (Fortsetzung): QUABOX/CUBBOX SMRs basierend auf LWR Technologie mit quad. BE

• lange Zyklen (LWR: > 48 Monate (derzeit 24 Monate))• Brennelemente mit hohem Abbrand (> 50 MWd/kg) • höhere Anreicherungen• fortschrittliche Beladestrategien• borfreie Kerne, Verhalten abbrennbarer Neutronenabsorber zu Beginn eines

Zyklus • bewegliche Reflektoren zur Langzeitkompensation der Überschussreaktivität

Neuentwicklung SMRs mit anderen Kühlmitteln, kompakte Kerne, komplexe Geometrien • lange Zyklen LMR > 30 Jahre (derzeit 5 Jahre)• Anwendung / Entwicklung / Validierung eines Neutronenkinetikcodes für hexa-

gonale BE und schnelle Neutronenspektren (mit mehr als 2 Energiegruppen) • Unsicherheit nuklearer Daten für SMR mit schnellen Neutronenspektren

44





Modellierungslücken und Prioritäten zum Schließen (Fort.): Thermohydraulik (des Kühlkreislaufes: ATHLET (A), des Con-

tainments: COCOSYS (C)) – Beispiele:SMRs basierend auf LWR Technologie:- A: Modelle für kompakte Dampferzeuger (u.a. helikale DE,

Plattenwärmetauscher, Bayonetwärmeübertrager, ….) - A: strömungsinduzierte Schwingungen, Sloshing- A: Wasserpools (T-, w-Felder), Schichtungen- A: Betriebsweise sowie Grenzen von Wärmerohren- A + C: Erweiterung des Parameterbereichs von Korrelationen

in Richtung niedrige Drücke- A + C: freie Konvektion um liegende / stehende Zylinder

andere SMRs:- A + C: Implementation von Stoffwerten für verschiedene Arbeitsmedien überkri-

tisches Wasser, schweres Wasser, Helium, flüssige Metalle (Natrium, Blei, Blei-Bismut, Gase (Helium, Stickstoff, CO2) und Salzschmelzen)

- A + C: Überprüfung / Erweiterung von Korrelationen (Reibung, Druckverlust, Verdampfung / Kondensation, …..)

Gliederung


GRS Studie zur Sicherheit und internationaler Entwicklungen von Small Mo-dular Reactors (SMR)• Erste Einschätzung, ob SMRs ein Thema für GRS sein können (Sicherheit,




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submarines

TES


nach Fukushima hat die Bundesregierung beschlossen, die Energieerzeu-gung aus Kernenergie bis 2022 zu beenden

nukleare Sicherheitsforschung wird jedoch weiter gefördert (national: Beglei-tung des restlichen Leistungsbetriebes, Zwischenlagerung, der Entsorgung der bestrahlten Brennelemente und radioaktiven Abfälle; international: Ver-pflichtungen (IAEA, OECD/NEA, …..), Verfolgung der Entwicklungen im be-nachbarten Ausland)

in diesem Rahmen fördert u.a. das BMWi die Entwicklung und Validierung der GRS-Rechenkette

GRS hat für SMR neue Trends bei Sicherheitskonzepten / -merkmalen iden-tifiziert (SMR Studie der GRS (GRS-376))

Modellierungslücken / Prioritäten für das Schließen wurden aufgezeigt mit den Arbeiten wurde begonnen (nat./int. Vorhaben)

Auch in Zukunft wird GRS zur Sicherheitsbeurteilung ausländischer Anla-gen (u.a. auch SMR) die notwendigen Mitarbeiter, die Kompetenzen, das notwendige Know-How und validierte Rechenprogramme besitzen

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Hinweis: In diesem Vortrag werden Ergebnisse des Forschungsvorhabens Stu-die zu Small Modular Reactors (SMR) mit dem Förderkennzeichen RS1521 ver-wendet, dass mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Techno-logie (BMWi) gefördert wird.


Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!

erweiterungder grs rechenkettefür die simulation ...€¦ · grs sichtet kontinuierlich diese...

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